일반화학실험 2
결과보고서
(9)
￮실험 제목: 옥살레이트-철 착화합물의 합성과 광화학반응
￮실험 목적: 철 착화합물을 합성하고 이의 광화학 반응을 이용해서 청사진을 만든다.
￮서론 및 원리:
착화합물(complex)은 분자나 이온들이 금속 또는 이온에 배위 결합하여 형성한
화합물이다. 즉, 착물이 포함되어 있는 화합물을 착화합물이라고 한다. 착화합물의
결합은 중심이온과 리간드 사이의 배위 결합과 착이온과 다른 이온 사이의 이온
결합으로 구별할 수 있다. 중심 금속은 루이스 염기로 작용한다.
(착화합물 예시)
착물이란 중심에 있는 전이 금속의 양이온에 몇개의 분자 또는 이온이 결합되어 있는
물질을 말한다. 전이 금속의 양이온과 분자 혹은 이온과의 결합은 배위 결합으로 물에
용해되어도 결합이 끊어지지 않는다. 이처럼 중심 이온과 배위 결합하고 있는 분자나
이온을 리간드라고 하며, 리간드의 수를 배위수라고 한다. 즉, 전이금속이온이 리간드와
결합하는 횟수로 대부분 6 을 가진다. 분자와 다원자 이온에서 원자의 배위수는 단순히
그 주위에 결합한 다른 원자의 수만 고려하면 된다. 그러나 고체 결정 구조에서는
결합이 다소 불명확하게 정의되므로 이웃하는 원자의 수를 배위수로 한다. 배위 된
착물의 대칭성을 갖는 경우, 배위수에 따라서 화합물의 구조가 결정된다.
다시 말해 리간드는 금속에 결합하는 원자나 이온을 금속 이온과 결합을 형성하는데
쓸 수 있는 고립 전자쌍이 있는 중성 분자나 이온으로 주기율표에 14 족-16 족에 있는
원소를 포함한 작은 분자 또는 이온이며 할로겐 이온도 포함된다.
(리간드 예시)
배위 결합 혹은 배위 공유 결합(coordinative covalent bond)는 금속 -리간드 결합이다.
루이스 염기(리간드)와 루이스 산(금속 이온) 사이의 상호 작용으로 한쪽에서 일방적으로
전자를 주는 결합이다. 루이스 산은 전자쌍 받개로 작용하는 금속이온(양이온)이고,
루이스 염기는 전자쌍 주개로 작용하는 리간드이다. 즉, 비공유 전자쌍을 지니고 있는
분자나 이온이 전자쌍을 제공하는 결합으로 여기서 배위는 공간적인 배치를 나타내는
말이며, 중심이 되는 하나의 원자 또는 이온의 주위에 몇 개의 이온, 분자가 배열하는
것이다. 배위 결합을 하기 위해서는 비공유 전자쌍을 가진 분자나 이온이 비어 있는
오비탈을 지닌 원자, 분자, 이온 등과 만나야 한다. 배위 결합은 전이 금속 화합물에서
흔히 볼 수 있으며 전자쌍을 제공하는 분자나 이온이 전이 금속 이온과 배위 결합하여
거대한 이온을 형성하는데, 이것이 착이온이다.
➔ 일반적인 배위 결합
전이 금속이란 주기율표에서 4 주기 이후의 3-12 족 까지의 원소로 원자번호가
증가함에
따라
속껍질
d
또는
f
오비탈에
전자가
채워지는
원소이다.
원자의
전자배치에서 가장 바깥부분의 d 껍질이 불완전한 양이온을 만드는 원소이다. 전이금속은
작화합물을 만든다. 전이금속은 4-7 주기, 3-12 족까지의 원소들이기 때문에 다른 원소들의
경우 한 주기에 주족 원소의 화학적 성질이 원자가 전자의 수가 변화함에 따라 크게
변하지만 전이금속들은 주어진 족에서뿐만 아니라 같은 주기에서도 많은 유사성을
보여준다. 전이금속은 특이하게도 이온화 되는 과정에서 4s 오비탈의 에너지가 3d
오비탈의 에너지보다 상당히 높아진다. 전이금속은 이온화 에너지가 서로 비슷하여
대부분 산에 녹아 수소 기체를 발생한다.
전이금속도 일반 금속과 마찬가지로 광택, 전기 전도성, 열 전도성을 가진다. 그
중에서도 비금속과 함께 결합 화합물을 형성하는데 위에 쓴 것처럼 일반 금속과는 달리
일정 수의 리간드와 함께 착이온 형태로 존재하고, 착이온은 전이 금속과 리간드간
결합이 이루어져 생성된 이온임을 다시 한번 알 수 있다. 또한 전이 금속은 원자
반지름이 비교적 작아 밀도가 크다.
전이금속은
d
오비탈의
전자가
결합에
참여하여
다양한
산화상태를
가지며
산화상태에 따라 다양한 색깔을 가진다. 이는 d 오비탈의 전자가 가시선을 흡수,
방출하기 때문이다. 화합물을 형성하지 않은 홑 원소 물질은 모두 금속이며 녹는점이나
끓는점이 일반적으로 높고, 자성을 나타내는 것이 많다.
전이금속으로 이루어진 대부분의 화합물을 d 오비탈의 성격에 의해 착색되어 있다.
따라서 금속의 종류, 산화상태, 결합된 리간드의 종류에 따라 다양한 색깔을 가진다.
➔ 빨간색 사각형 안에 든 원소가 전이금속(전이원소)이다.
전자 구름에 의하여 화학 결합을 형성하고 있는 분자들은 가시광선이나 자외선의
에너지를 흡수하면
전자
구름의 모양이 바뀌면서
불안정하게
되어
화학
결합이
끊어지면서 분해되거나 다른 화합물과 쉽게 반응하게 된다. 빛을 받아서 일어나는
화학반응을 광화학 반응이라고 하고, 녹색 식물의 엽록소에서 일어나는 광합성 반응과
오존생성도 광화학 반응의 하나이다.
전이금속 이온의 주위에 여분의 전자쌍을 가진 리간드가 배위하여 만들어지는
착화합들도 다양한 광화학반응을 일으킨다. 이 실험에서는 복사기가 대량으로 보급되는
전에 많이 사용하던 청사진에 이용되었던 철의 옥살레이트 착화합물을 합성하고,
착화합물의
광화학반응을
살펴본다.
옥살레이트-철
착화합물([Fe(C2O4)3]3-)는
253~577mm 의 넓은 파장 범위에서 빛에 아주 민감한 반응을 보인다.
이 착이온은 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 를 물에 녹이면 해리되어 만들어진다.
K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 는 다음과 같은 두가지 합성법으로 쉽게 합성할 수 있다.
1) FeCl3∙3H2O + 3K2C2O4∙H2O → K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O + 3KCl + 3H2O
2) Fe(NH)2(SO4)2 ∙6H2O + H2C2O4 → FeC2O4∙2H2O + (NH4)2SO4+H2SO4 + 4H2O
2FeC2O4∙2H2O + H2C2O4 + H2O2 + 3K2C2O4∙H2O → 2K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O + 3H2O
합성법
1)에서는
합성법 2)에서는
과산화수소로
Fe(III)화합물을
Fe(II)화합물을
산화시키면서
두
출발
이용해서
개의
물질로
사용해서
FeC2O4∙2H2O 를
옥살레이트를
한단계로
먼저
도입시키는
합성하지만
만들고
두
단계
다음에
과정의
합성이다.
[Fe(C2O4)3]3-는 빛을 흡수하면 분자내 전자 전달 과정을 거쳐 다음과 같이 변환된다.
⇒[Fe(III)(C2O4)3]3- + hv → [Fe(II)(C2O4)2 ]2-+ [C2O4]⇒[Fe(III)(C2O4)3]3- + [C2O4]- →[Fe(III)(C2O4)3]2- + C2O42⇒[Fe(III)(C2O4)3]2- → [Fe(II)(C2O4)2]2- + 2CO2
전체 반응은 다음과 같다.
◼ 2[Fe(III)(C2O4)3]3- + hv → 2[Fe(II)(C2O4)2]2- + 2CO2 + C2O42이렇게 만들어진 2[Fe(II)(C2O4)2]2-는 Fe2+ 와 [C2O4]2-로 쉽게 해리되고, 가시광선 영역의
빛을 흡수하지 않는다. 파장에 따른 [Fe(III)(C2O4)3]3-의 흡광도와 이 광화학 반응의 양자
수율은 잘 알려져 있기 때문에 빛을 쪼여서 생성된 Fe2+의 양을 정확히 측정하면
쪼여지는 빛의 양을 구할 수 있다. 이 방법은 빛의 양을 측정하는 광량계로 실험실에서
많이 이용된다.
광화학반응에 의해 생성된 철이온의 양은 1,10-페난트롤린 착물의 붉은색을 이용한
분광광도법이나 또는 [Fe(CN)6]3-와 반응하여 진한 청색의 턴불블루(Turnbull’s blue)를
형성하는 것으로 쉽게 알 수 있다. 이 반응이 바로 청사진을 만드는 반응이다.
K[Fe(CN)6] + Fe2+ → KFe(II)Fe(III)(CN)6 (턴불블루) + 2K+
이번 실험에서는 생성된 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 재결정을 통해 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 가
어느 정도 수득 되었고 그에 따른 수득 백분율을 구한다. 수득 백분율이란 생성물의
실제 수득량을 이론적 수득량의 백분율로 얻은 값이다. 이론적 수득량이란 한계
반응물이 완전히 소비되어 없어질 때 생성되는 생성물의 양이고, 실제 수득량은 실제
실험에서 얻은 값이다. 수득 백분율은 다음과 같이 구할 수 있다.
수득백분율 =
실제수득량(𝑔)
𝑋 100
이론적 수득량(𝑔)
￮실험방법:
실험 A. K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 합성
1) 3.0g 의 K2(C2O4)∙H2O 무게를 재서 50ml 삼각 플라스크에 10ml 증류수를 넣고
핫플레이트에 올린 후 녹이고 가열한다. 용액이 끓을 정도로 가열해서는 안 된다.
2) 다른 비커에 1.4g 의 FeCl3∙6H2O 의 무게를 재서 5ml 의 찬 증류수를 넣어 녹인다.
3) FeCl3∙6H2O 용액에 뜨거운 K2(C2O4)∙H2O 를 가하고 유리막대로 저어준다.
4) 강한 햇빛을 차단하고 얼음물 또는 찬물에 비커를 두어 결정이 생길 때까지
기다린다.
5) 결정화된 생성물을 감압기를 통해 거르고, 찬물로 세척해서 거른 다음 마지막으로
거른 침전을 3ml 아세톤으로 씻은 후 오븐에 넣어 말린 후 무게를 재어 수득률을
확인한다.
실험 C. K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 광반응
1) 0.7g 의 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 를 삼각 플라스크에 넣고 100ml 증류수와 3ml 의 2M
H2SO4 를 첨가하고 잘 섞는다.
2) 세 개의 시험관에 ‘가’,’나’,’다’로 표식을 붙이고, 위 용액을 10ml 씩 넣는다.
3) ‘가’ 시험관은 알루미늄 박으로 빛을 차단하고, ‘나’ 시험관은 1 분간, ‘다’ 시험관은
5 분간 빛을 쪼인 후 알루미늄 박으로 5 분 빛을 차단한다.
4) 각 시험관에 1ml 씩 0.1M K3Fe(CN)6 용액을 가하고 변화를 관찰한다.
실험 D. 청사진 만들기
1) 실험 C 에서 만든 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 용액 25ml 를 시계 접시에 붓고 이 용액에
여과지를 적신다.
2) 여과지를 어두운 곳에서 말린다.
3) 건조된 여과지 위에 열쇠 등 빛을 차단하는 물체를 두고 위에서 빛을 5 분간
쪼인다. (전등을 가급적 가까이 두면 빛을 쪼이는 시간을 단축할 수 있다.)
4) 몇 분이 지난 후에 여과지를 0.1M K3Fe(CN)6 용액을 담아둔 시계 접시 위에 넣어
이 용액으로 적신 후 증류수로 씻는다.
5) 관찰 결과를 기록하고 설명한다.
￮사용하는 기구 및 시약:
1) 기구
실험 A
저울, 가열판
오븐, 비커
눈금 실린더, 유리막대
온도계, 뷰흐너 깔때기
거름종이, 감압 플라스크, 얼음중탕기
실험 C&D
삼각 플라스크 250ml, 눈금피펫
페트리 디쉬 3 개, 시험관, 전등(100W)a
2) 시약
Potassium oxalate
Iron (III) chloride
Acetone
Sulfuric acid
Potassium Iron (III) cyanide
Iron (III) sulfate
￮실험 및 측정 결과
<과정>
실험 A
1. K2(C2O4)∙H2O 를 3.00g 잰 후 삼각 플라스크에 넣고 10ml 증류수를 넣은 후
가열한다.
2. FeCl3∙6H2O 를 1.4g 잰 후 5ml 의 증류수를 넣고 녹인 후 가열한 K2(C2O4)∙H2O
용액과 섞는다.
3. 섞은 용액이 담긴 비커를 얼음에 넣어 결정이 생길 때까지 기다리고, 결정이
원하는 만큼 생겼다면 여과지에 결정이 생긴 용액을 붓는다.
4. 뷰흐너 깔때기에 용액을 담아 감압하여 결정만 얻은 후 오븐에 넣어 말리고 다
말린 결정의 무게를 재어 수득률을 확인한다.
실험 C
1. 실험 A 에서 얻은 결정 중 0.7g 을 삼각 플라스크에 넣은 후 100ml 증류수와
3ml 의 2M H2SO4 를 첨가하여 섞고, 준비된 세개의 시험관에서 각각 가, 나,
다라고 표시를 해놓는다.
2. 시험관에 앞에서 만들어 놓은 용액을 10ml 를 넣는데, 가 시험관은 용액을 넣은
후 바로 알루미늄 박으로 감싸고 5 분간 빛을 차단한다. 나 시험관은 전등으로
빛을 1 분간 쐬어준 후 알루미늄 박으로 감싸 5 분간 빛을 차단한다. 다 시험관은
전등으로 빛을 5 분간 쐬어준 후 알루미늄 박으로 감싸 5 분간 빛을 차단한다.
3. 5 분이 지나면 각각의 시험관애 1ml 씩 0.1M K3Fe(CN)6 용액을 가하고 색의
변화를 관찰한다.
실험 D
1. 실험 C 에서 만든 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 용액 25ml 를 시계 접시에 붓고 여과지를
적신 후에 어두운 곳에서 말린 후, 미리 만들어 둔 육각형 모양의 알루미늄 박을
두고 전등을 이용하여 5 분간 빛을 쪼인다. 이때 전등을 시계 접시에 아주
가까이 두어 빠른 변화가 일어나도록 한다.
2. 5 분 동안 여과지에 빛을 쪼이는 동안 다른 시계 접시에 0.1M K3Fe(CN)6 용액을
담아두고, 빛을 모두 쪼인 여과지를 이 용액에 담가 여과지에 어떤 변화가
일어나는지 관찰한다.
3. 용액에서 빼낸 사진은 찍지 못하였으나 용액에서 빼낸 여과지는 알루미늄
박으로 덮은 부분은 용액의 색깔로 물들고, 그렇지 않은 부분은 턴불블루의 색인
청색으로 물든 것을 볼 수 있었다.
<결과>
실험 A
사용한 K2(C2O4)∙H2O 의 양
3.00g
사용한 K2(C2O4)∙H2O 의 몰 수
1.63 x 10-2mol
사용한 FeCl3∙6H2O 의 양
1.4g
사용한 FeCl3∙6H2O 의 몰 수
5.2 x 10-3mol
K3[Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 이론적인 생성 몰 수
5.2 x 10-3mol
K3[Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 이론적인 생성량
2.5532g
K3[Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 실제 생셩량
2.1850g
K3[Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 수득률
86%
실험 C
가
나
다
빛을 쪼인 시간
0분
1분
5분
관찰결과(색깔)
연한 노란색
연두색
짙은 청록색
위의 시험관의 색을 보았을 때 청색의 짙은 정도는 가<나<다 순인 것을 확인할 수
있다. Fe2+ + K3Fe(CN)6 → KFe(II)Fe(III)(CN)6 (턴불블루) + 2K+ 이므로, Fe2+이온이 많으면
턴불블루의 색이 진해진다는 것을 알 수 있다. 따라서 Fe2+ 이온의 상대적인 양은
다>나>가이다.
실험 D
➔ 청사진 결과
용액에서 빼낸 사진은 찍지 못하였으나, 실험 결과 여과지를 관찰하였을 때, 알루미늄
박으로 덮은 부분은 K3Fe(CN)6 의 색깔로만 물들었고, 그렇지 않은 여과지의 색은
실험에서 관찰하고자 한 턴불블루의 색이 나온 것을 확인할 수 있었다.
￮분석 및 논의
-이번 실험은 철 착화합물을 형성하고 그 결정을 통해 전등을 이용한 광화학반응을
일으켜 청사진을 만드는 실험으로 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 를 합성하여 결정을 만들어내는
것부터 시작하였다. 청사진에 사용되는 물질은 옥살레이트-철 착화합물로 다음과 같은
2 개의 방법으로 만들어진다.
1)
FeCl3∙3H2O + 3K2C2O4∙H2O → K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O + 3KCl + 3H2O
2) Fe(NH)2(SO4)2 ∙6H2O + H2C2O4 → FeC2O4∙2H2O + (NH4)2SO4+H2SO4 + 4H2O
2FeC2O4∙2H2O + H2C2O4 + H2O2 + 3K2C2O4∙H2O → 2K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O + 3H2O
K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 에서 [Fe(C2O4)3]3-는 빛을 흡수하면 분자내 전자 전달 과정을 거쳐
다음과 같이 변환된다.
⇒[Fe(III)(C2O4)3]3- + hv → [Fe(II)(C2O4)2 ]2-+ [C2O4]⇒[Fe(III)(C2O4)3]3- + [C2O4]- →[Fe(III)(C2O4)3]2- + C2O42⇒[Fe(III)(C2O4)3]2- → [Fe(II)(C2O4)2]2- + 2CO2
전체 반응은 다음과 같다.
◼ 2[Fe(III)(C2O4)3]3- + hv → 2[Fe(II)(C2O4)2]2- + 2CO2 + C2O42이런 순차적인 전자 전달 과정을 통한 광화학 반응으로 인해 생성된 철 이온의 양은
실험에서
사용한
[Fe(CN)6]3-와
반응하여
진한
청색의
턴불블루(Turnbull’s
blue)를
형성한다. 우리는 실험을 통해 결과적으로 K[Fe(CN)6] + Fe2+ → KFe(II)Fe(III)(CN)6 (턴불블루)
+ 2K+ 라는 식을 얻을 수 있다.
-위의 식을 확인하고 청사진을 얻고자 먼저 실험 A 를 진행하였다. K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O
를 합성하기 위해 K2(C2O4)∙H2O 와 FeCl3∙6H2O 를 섞은 후 감압을 하여
K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 결정만을 얻어냈다.
-그 다음 얻어낸 결정 중 0.7g 만을 이용하여 실험 C 를 진행하였다. 얻어낸 결정에
3ml 의 2M H2SO4 와 100ml 의 증류수를 첨가하였는데, 이때 2M H2SO4 를 반드시 먼저
넣어야 하므로 2M H2SO4 를 먼저 넣은 후 증류수를 넣어 잘 섞었다. 이것을 시험관에
옮겨 각각 빛을 쪼인 후 광화학 반응이 일어나도록 만들고, 호일로 감싸 일정 시간이
지난 후에 0.1M K3Fe(CN)6 을 1ml 씩 넣어서 색의 변화를 관찰하였다.
-마지막으로 청사진을 얻기 위해 앞서 만든 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O + 2M H2SO4+ H2O
용액의 25ml 를 시계 접시에 부은 후 여과지를 적신 다음 만들어 둔 알루미늄 박을
놓아둔 후 전등을 이용하여 빛을 쪼인 후 일정 시간이 지나면 0.1M K3Fe(CN)6 용액을
담아둔 시계 접시에 여과지를 두고 여과지의 색 변화를 관찰하였다. 앞서 서술한 것과
마찬가지로 여과지를 빛을 쪼인 부분을 0.1M K3Fe(CN)6 에 담아두면 턴불블루로 합성되고,
알루미늄박으로 가린 부분은 합성되지 않은 것을 알 수 있다. 이를 증류수로 씻어내면
우리가 원하는 청사진을 얻을 수 있었다.
-실험 결과 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 결정은 총 2.1850g 이 나왔다. 이번 실험에서는
수득률을 구하는 것을 중점으로 두었기 때문에 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 이론적인 생성량을
구하는 과정이 필요하였다. 이론적인 생성량은 다음과 같이 구하였다.
-이론적인 생성량을 구하기 위해 먼저 사용한 각 물질의 양과 몰수를 구하였고, 그
몰수를
통해
이론적인
생성량을
구하였다.
이론적인
생성량을
구하기
위해서는
K2(C2O4)∙H2O 와 FeCl3∙6H2O 둘 중 어느 물질이 한계 반응물 인 지를 정하는 것이
중요하다. 두 물질의 몰 질량을 통해 한계 반응물을 정할 수 있는데, 물질의 반응 시 한
물질이 모두 소모될 때까지 반응하는 것이므로 두 물질 중 몰 질량이 더 적은 물질이
한계 반응물이 된다. 따라서 몰 질량이 더 적은 FeCl3∙6H2O 를 한계 반응물로 두고
계산을 진행하였다.
-계산 결과 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 이론적인 생성 몰 수는 5.2 x 10-3mol 이며, 이를 통해
계산한 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 이론적인 생성량은 2.5532g 임을 알 수 있다. 본 실험에서
얻어낸 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 실제 생성량은 2.1850g 이므로 이를 이용하여 수득률과
오차율을 구하면 다음과 같다.
수득률은 86%, 오차율은 14%라는 값이 도출되었는데, 이론과 엄청난 차이를 보이는
값은 아니나 분명 실험 시 오차가 발생하였음을 알 수 있다.
-이번은 실험은 실험 과정 중 몇몇 오류를 범하여 총 두번의 실험을 진행하였다. 먼저
결정을 만들어 낼 때 오차를 범했는데, 얼음 중탕기에 용액이 담긴 비커를 놓을 때
비커의 위에만 알루미늄 박으로 감싸고 나머지 부분은 얼음이 닿게 하여 비커의 온도가
최대한 낮아지게 해야하는데, 알루미늄 박을 비커의 몸통부분까지 감싸버려서 냉기가
제대로 전달되지 않아 결정이 제대로 생기지 않았다. 두번째 실험에서는 비커의
윗부분에만 알루미늄 박을 씌우고 비커의 옆부분과 바닥 부분은 최대한 얼음과 닿게
하여 결정의 양을 최대한 늘렸다.
-또한, 또 다른 오류로는 FeCl3∙6H2O 을 증류수에 녹일 때 완전히 녹이지 않았다는
점이다. 착화합물의 결정 수득률을 최대한 올리기 위해서는 고체시료가 아닌 물질을
물에 녹여 액체시료로 만들어 합성 반응을 진행하여 시료가 손실되는 양을 최소화해야
한다. 이때 물질이 완전히 녹지 않았다면 결정의 양을 원하는 만큼 얻지 못할 것이다.
실험을 하면서 FeCl3∙6H2O 를 차마 다 녹이지 못한 채로 실험을 진행하여 반응이
한계까지 도달하지 못하여 결정의 양이 이론적인 생성량에 가깝지 못한 것으로 생각된다.
-또한, K2(C2O4)∙H2O 은 중탕을 하여 증류수에 용해시킨 반면, FeCl3∙6H2O 는 찬 증류수에
녹인 점이 궁금하였는데, 이는 FeCl3∙6H2O 가 끓는점이 35℃로 낮아서 중탕을 하지 않고
증류수에 녹인 것이다. K2(C2O4)∙H2O 은 끓는점이 비교적 높고 물에 대한 용해도가 낮기
때문에 중탕을 하여 시료를 녹였고, 증류수는 10ml 로 적은 양만 넣었다.
-실험 A 에서 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 가 담긴 비커를 알루미늄 박으로 덮고 얼음 중탕기에
넣은 이유는 이 착화합물의 경우 온도가 감소하면 물에 대한 용해도도 감소하여 결정이
생성되기 때문에 얼음 중탕기에 넣어 용액의 온도가 내려갈 수 있게끔 하였고, 알루미늄
박으로 윗부분을 감싼 이유는 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 의 결정이 빛을 받으면 환원되어
[Fe(II)(C2O4)2]2-로 변할 수 있기 때문이다. 이는 <서론 및 원리>에서 서술하였던
[Fe(C2O4)3]3-의 분자내 전자 전달 과정을 통해 알 수 있다.
-감압을 마친 후 아세톤을 이용하여 결정을 씻어내는 이유가 무엇인지 알아보았다.
아세톤은 중심원자를 기준으로 극성인 부분과 비극성인 부분이 차지하는 비율이 서로
비슷한 분자로 극성, 비극성 용질을 둘 다 용해할 수 있다. 아세톤이 물에 잘 녹는
이유도 이와 같다. 따라서 생성물을 모두 용해하려면 증류수보다는 아세톤을 써야
물질이 모두 용해되어 결정의 수득률을 더 높일 수 있다.
-실험 C 는 광화학 반응을 통해 턴불블루의 합성반응을 알아보았다. 위에서 이야기한
[Fe(C2O4)3]3-는 빛을 받으면 최종적으로 2[Fe(III)(C2O4)3]3- + hv → 2[Fe(II)(C2O4)2]2- + 2CO2
+ C2O42- 와 같은 반응이 나타나게 된다. 이것에 K[Fe(CN)6]를 첨가하게 되면 K[Fe(CN)6]
+ Fe2+ → KFe(II)Fe(III)(CN)6 (턴불블루) + 2K+ 의 반응이 일어나면서 턴불블루의 색상이
나타나게 된다. 이때 중요한 것은 [Fe(C2O4)3]3-가 빛을 받았는지, 받았다면 어느 정도
받았는지이다. 2[Fe(III)(C2O4)3]3- + hv → 2[Fe(II)(C2O4)2]2- + 2CO2 + C2O42- 이 식을 살펴보면
광반응을 통해 Fe3+가 Fe2+로 환원되는 것을 볼 수 있는데, 빛을 받는 정도가 클 수록
환원되는 정도도 커짐을 알 수 있고, 이는 곧 빛을 많이 받은 것이 턴불블루의 색상을
더 진하게 나타냄을 알 수 있다. 실험 C 의 가, 나, 다 시험관 중 다 시험관은 5 분 동안
빛을 쪼였기 때문에 Fe2+의 이온이 가장 많이 형성되어 짙은 청록색을 띠는 것을 확인할
수 있었고, 가 시험관은 빛을 전혀 쪼이지 않고 바로 알루미늄 박으로 감쌌기 때문에
빛에 의한 광반응이 일어나지 않아 Fe2+ 이온이 거의 생성되지 않아 색의 변화가 처음과
거의 달라지지 않은 것을 확인할 수 있었다. 만약 빛을 쪼이는 시간이 더 길다면 더
진한 색의 턴불블루를 볼 수 있을 것이라 생각한다.
-청사진을 제조할 때 왜 전이금속의 착이온을 이용할까? 그 이유는 착이온 중
전이금속이 특정파장의 가시광선을 흡수할 수 있기 때문이다. 빛을 쪼인 시간에 따라
턴불블루의 색에 가깝게 나타난 것은 빛이 반응물에 개입하여 결합에 의해 형성된
오비탈 사이의 거리가 더 가까워졌다고 볼 수 있다. 착물이 흡수할 수 있는 에너지는
자신이 가진 색의 보색이 갖는 에너지이기 때문이다. 턴불블루의 진한 청색의 보색의
경우 노랑색~연한 주황색이고, 턴불블루의 색을 거의 보이지 않은 시험관의 연한
연두색의 경우 보색은 보라색~자주색이다. 가시광선의 파장 그래프를 살펴보면 violet 은
400-420nm, yellow-orange 는 570-620nm 로 턴불블루가 갖는 파장이 더 큰데, 빛의
에너지와 파장의 관계는 서로 반비례한다. 이는 곧 큰 파장과 작은 에너지를 가져,
결합에 의해 생성된 오비탈의 거리가 더 가까워 턴불블루의 진한 청색을 냄을 의미한다.
따라서 [Fe(III)(C2O4)3]3- 즉, 전이금속의 착이온을 이용하여 청사진을 제조한다.
-왜 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 에 빛을 쪼인 후에 0.1M K3Fe(CN)6 을 첨가할까 알아보았다.
0.1M K3Fe(CN)6 은 빛 즉, 자외선에 노출되면 광화학반응을 일으켜 철 이온과 반응하여
KFe(II)Fe(III)(CN)6 을 생성한다. 따라서 K3([Fe(C2O4)3]∙3H2O 을 빛에 노출시킨 후에
K3Fe(CN)6 을 첨가해야 한다. 만약 빛을 쪼이기 전 K3Fe(CN)6 을 넣어버리면 시안화 이온이
만들어지는데, 시안화 이온의 철 결합력이 옥살산 이온보다 더 높기 때문이다. 따라서
제대로 된 반응이 일어나지 않아 원하는 결과를 도출할 수 없다.
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